JP2013150507A - 回転電機の保護継電器 - Google Patents

Abstract

【課題】故障発生前の電圧または周波数に対応した信号を補助入力信号として保護継電器に導入することにより、保護対象である回転電機の低速度域から定格速度域の広範囲に亘って回転電機の保護を適切に行なう。
【解決手段】絶対値演算手段１１_-１によって現時点の系統電流の絶対値｜Ｉ｜を求め、この系統電流の絶対値｜Ｉ｜がリレー判定手段１２_-１に設定された動作値を超える場合、保護対象である回転電機６に事故が発生したものと判定する過電流保護継電器３_-１において、故障発生前の保護対象の電圧又は周波数をメモリ回路１４を介して所定時間遅延して関数発生器１５に入力して故障発生前の動作値を得て、この関数発生器１５で得られた動作値をリレー判定手段１２_-１に導入して、現時点の系統電流の絶対値｜Ｉ｜と比較判定する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、回転電機を広範囲の運転速度域で適切に保護することができる回転電機の保護継電器に関する。

ガスタービン、排熱回収ボイラおよび蒸気タービンを組み合わせてなるコンバインドサイクル発電プラントに用いられる発電機や、プライマリ発電機とセコンダリ発電機とを並列運転するクロスコンパウンド発電機の場合、起動時の極めて低い速度域から揃速時あるいは系統併入時の定格速度域までの広い速度域で運転される。また、可変周波数のインバータによって速度制御される誘導電動機の場合も広い速度域で運転される。
この種の発電機や電動機等の回転電機を広範囲の速度域にて適切に保護するためには、広域の周波数域で動作保証がなされた保護継電器が必要である。

ところが発電プラントや一般の回転電機の保護に広く採用されている保護継電器では、広域周波数での仕様に対応していないとか、多少の広域周波数特性を有しているとしても起動時の極めて低い速度域から揃速時や系統併入時の定格速度域に亘る広範囲の速度域で適切に保護動作を行う仕様になっていないのが現状である。

なお、従来においても、可変電圧可変周波数の電源系統（ＶＶＶＦ系統）に接続された誘導電動機の保護継電システムが開発されている。この保護継電システムは、ＶＶＶＦ系統の全周波数領域において誘導電動機を保護することを目的として、電動機主回路から計測された各相電流を整流したあと積分し、電動機主回路から計測された周波数を関数発生器によって種々の周波数の関数を生成し、これら比較器で各相電流の積分値と種々の周波数の関数とを比較するようにしたものがある。

特開昭６１−８８７２１号公報

しかしながら、上記の保護継電システムの場合、（ｉ）周波数及び電圧のメモリ（リセット含む）機能が無いために、古い信号が入力されたままとなって正しく動作しない可能性がある。（ii）瞬時値の補助入力信号（周波数及び電圧）を用いるため、過渡変化やノイズ（高周波）により、不要動作を起こす可能が高い。（iii）周波数及び電圧のメモリ（リセット含む）機能が無いために伝送遅れ・誤差や演算時間等を考慮していない。
したがって、上記の保護継電システムの場合、ＶＶＶＦ系統に接続される誘導電動機の保護が適切に出来ないおそれがある。

誘導電動機をＶＶＶＦ系統により可変速制御する場合には、事故時の電圧及び周波数等の電気量が回転速度に応じて変化することを考慮して、故障発生前の電圧あるいは周波数等の電気量に応じて保護継電器の動作特性（動作値）を変更させることが望ましい。この点は回転速度に応じて電圧および周波数が変化するコンバインドサイクル発電機やクロスコンパウンド発電機の保護を行なう場合も同様である。

本発明は上述した課題に鑑み、故障発生前の電圧の大きさまたは周波数に対応した信号を補助入力信号として導入し、この補助入力信号に応じて動作特性（動作値）を変更させることにより、広範囲の速度域で適切に保護動作を行うことのできる回転電機の保護継電器を提供することを目的とするものである。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、回転電機の主回路から取り込んだ電気量の大きさとリレー判定手段の動作値とを比較して前記回転電機に故障が発生したか否かを判定するように構成された回転電機の保護継電器において、前記回転電機の主回路から電気量を入力し、その大きさを演算して求める絶対値演算手段と、前記回転電機の回転数に対応する信号を補助入力信号として入力し、これを所定時間遅延したのち出力するメモリ手段と、前記メモリ手段から出力された補助入力信号に応じて前記リレー判定手段の動作値を得る関数発生器と、を備え、前記リレー判定手段は、前記絶対値演算回路から出力された現時点の電気量の絶対値と、現時点よりも所定時間前の補助入力信号に応じて得られた前記動作値とを比較して前記回転電機に故障が発生したか否かを判定し、故障発生と判定したとき動作出力を生じるようにしたことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、回転電機の両端子から取り込んだ電流の差動電流値とリレー判定手段の動作値とを比較して前記回転電機に故障が発生したか否かを判定するように構成された回転電機の保護継電器において、前記回転電機の両端子から電流を取り込み、その取り込んだ電流から差動電流値を演算して求める差動演算手段と、前記回転電機の回転数に対応する信号を補助入力信号として入力し、これを所定時間遅延したのち出力するメモリ手段と、前記メモリ手段から出力される補助入力信号に応じて前記リレー判定手段の最小動作値を得る関数発生器と、を備え、前記リレー判定手段は、前記差動演算手段から出力された現時点の差動電流値と、現時点よりも所定時間前の補助入力信号に応じて得られた前記動作値とを比較して前記回転電機に故障が発生したか否かを判定し、故障発生と判定したとき動作出力を生じるようにしたことを特徴とする。

実施形態１に係る保護継電器の接続図。 実施形態１に係る保護継電器の構成を示すブロック図。 （ａ）および（ｂ）は図２の保護継電器の動作特性図。 実施形態２に係る保護継電器の接続図。 実施形態２に係る保護継電器の構成を示すブロック図。 （ａ）および（ｂ）は図５の保護継電器の動作特性図。 実施形態４に係る保護継電器の接続図。 実施形態４に係る保護継電器の構成を示すブロック図。 （ａ）および（ｂ）は図８の保護継電器の動作特性図。 実施形態５に係る保護継電器の接続図。 実施形態５に係る保護継電器の構成を示すブロック図。 （ａ）および（ｂ）は図１１の保護継電器の動作特性図。 実施形態７に係る保護継電器の接続図。 実施形態７に係る保護継電器の構成を示すブロック図。 （ａ）および（ｂ）は図１４の保護継電器の動作特性図。 実施形態８に係る保護継電器の接続図。 実施形態８に係る保護継電器の構成を示すブロック図。 （ａ）および（ｂ）は図１６の保護継電器の動作特性図。 実施形態９に係る保護継電器の接続図。 実施形態９に係る保護継電器の構成を示すブロック図。 （ａ）および（ｂ）は図１９の保護継電器の動作特性図。 実施形態１０に係る保護継電器の接続図。 回転電機の保護継電器の適用例１を示す接続図。 回転電機の保護継電器の適用例２を示す接続図。 回転電機の保護継電器の適用例３を示す接続図。 回転電機の保護継電器の適用例４を示す接続図。 回転電機の保護継電器の適用例５を示す接続図。 回転電機の保護継電器の適用例６を示す接続図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態で採用した図に共通する部品や手段には同一符号を付けて、重複する説明は適宜省略する。
[実施形態１]
以下、図１ないし図３を参照して本発明の実施形態１に係る回転電機の保護継電器について説明する。

図１は本実施形態１に係る保護継電器の接続図であり、図２は本実施形態１に係る保護継電器の構成を示すブロック図、図３（ａ）および（ｂ）は図２の動作特性図である。
本実施形態１は、保護対象である図示しない回転電機の主回路から取り込んだ電流値が一定の動作値（電流値Ｉ_０）を超過すると動作する形式の電流保護継電器に対して、回転電機の回転数に対応する端子電圧の大きさまたは周波数を補助入力信号ｘとして用い、この補助入力信号ｘにより動作特性（動作値）を変化させるようにした過電流保護継電器である。なお、例えば補助入力信号ｘは定格周波数の１０％から定格周波数までを使用する。

図１において、１は保護対象である図示していない回転電機の端子に繋がる主回路（以下、主回路という）であり、２はこの主回路１に流れる電流を変成し出力する計器用変流器（以下、単に変流器と呼ぶ）、３_-１は変流器２から出力された電流Ｉを取り込み、保護を行なう過電流保護継電器である。４は保護対象である回転電機の回転速度に応じた電圧の大きさまたは周波数を補助入力信号ｘとして取り込むための計器用変圧器であり、主回路１の電圧を変成し出力して過電流保護継電器３_-１に入力する。

本実施形態１の過電流保護継電器３_-１の詳細構成は、図２で示すように構成されている。
図２において、１１_-１は変流器２から取り込んだ回転電機の主回路１に流れる電流Ｉの大きさ即ち絶対値｜Ｉ｜を演算して求める絶対値演算手段であり、その演算結果は後述するリレー判定手段１２_-１に入力される。一方、計器用変圧器４から取り込まれた補助入力信号としての電圧ｘは補助入力測定手段１３を経てメモリ回路１４に入力される。このメモリ回路１４は入力された補助入力信号ｘを予め定めた時間（α秒）だけ遅延させて次段の関数発生器１５に出力する。

この関数発生器１５は、前記リレー判定手段１２_-１の動作値を補助入力信号ｘによって関数ｆ（ｘ）の形式で得て出力するものであり、例えば、図３の動作特性図（ａ）に示す関数ｆ_Ａ（ｘ）のように補助入力信号ｘがゼロのとき一定値Ｉ_０で、補助入力信号ｘが増加するにつれて一定値Ｉ_０から漸増する特性の動作値を得るとか、（ｂ）に示す関数ｆ_Ｂ（ｘ）のように補助入力信号ｘがゼロからｘ_ｏまでの間は一定値Ｉ_０で、ｘｏを超えると補助入力信号ｘの増加につれて漸増する特性の動作値を得るように構成されている。

前記判定手段１２_-１は、保護対象の故障発生前に入力した補助入力信号ｘに応じて得られた動作値（関数ｆ_Ａ（ｘ）またはｆ_Ｂ（ｘ））と、当該絶対値演算手段１１_-１から出力された現時点の電流の絶対値とを入力し、電流の絶対値が故障発生前の補助入力信号ｘに応じて得られた前記関数ｆ_Ａ（ｘ）またはｆ_Ｂ（ｘ）の動作値以上（Ｉ＞ｆ（ｘ））の場合に動作出力を生じ、現時点の電流の絶対値が前記関数ｆ_Ａ（ｘ）またはｆ_Ｂ（ｘ）の動作値未満であれば動作出力は生じない。

このように、本実施形態１の過電流保護継電器３_-１は、現時点から予め定めた時間α前（保護対象に故障が発生する前）に取り込まれた補助入力信号ｘに応じて関数発生器１５で動作特性が変化するように動作値を関数ｆ（ｘ）の形式で得てリレー判定手段１２_-１でこの動作値ｆ（ｘ）と入力電気量Ｉとを比較して動作判定を行うようにしたので、従来のように一定の動作値を超過すると動作する形式の過電流保護継電器では達成できなかった図３（ａ）および（ｂ）に示すような低速域から定格速度域までの広範囲に亘って回転電機の過電流保護を適切に行うことができる。

[実施形態２]
以下、図４ないし図６を参照して本発明の実施形態２に係る回転電機の保護継電器について説明する。
図４は本実施形態２に係る保護継電器の接続図であり、図５は本実施形態２に係る保護継電器の構成を示すブロック図、図６（ａ）および（ｂ）は図４の動作特性図である。

本実施形態２が実施形態１と相違する点は、電流保護継電器３_-１を保護対象の回転電機が定格速度に到達した段階で保護を停止する保護停止機能を備えた電流保護継電器３_-２に置換した点にあり、補助入力信号ｘも定格周波数の１０％から定格周波数までを使用する点は変わらない。
その他は特に変わらない。

図５において、本実施形態２に係る電流保護継電器３_-２は、前述した図２で示した電流保護継電器３_-１に対して、メモリ回路１４から出力される補助入力信号ｘが定格速度に対応した大きさを超えると、論理出力値を「０」にする速度域判定手段１６を設けるとともに、この速度域判定手段１６と前記リレー判定手段１２_-１との論理積を求めるアンド回路１７を設けたことを特徴とするものである。

本実施形態２によれば、図示しない保護対象である回転電機が定格速度以下（補助入力信号≦定格速度域）のときは、速度域判定手段１６から論理値「１」なる信号が出力されてアンド回路１７に入力されるので、回転電機が定格速度以下のときは実施形態１の場合と全く同じ保護動作を行う。

しかしながら、保護対象である回転電機の回転速度が定格速度を超えると、速度域判定手段１６から出力される論理値はそれまでの「１」から「０」に反転し、アンド回路１７の入力条件は成立せず、リレー判定手段１２_-１の判定結果の出力を阻止する。このため過電流保護継電器３_-２としての動作信号はゼロとなり、保護動作が停止する（無効になる）。なお、回転電機が定格回転速度域に到達した後は定常運転で用いられる保護継電器（図示せず）に保護を委ねることになる。

これに対して、従来の電流保護継電器は、速度域判定手段１６を備えられていないので、定格回転速度域に到達しても保護機能を停止することができない。このためインターロック条件等を外部で構成し、保護継電器の機能をロックしていた。

本実施形態２の電流保護継電器は、定格回転速度域に到達した後は定常運転で用いられる保護継電器に保護を委ねるようにしたので、従来のようにインターロック条件等を外部で構成する必要がなくなり、そのぶん制御盤内の配線の簡素化や、配線工期の短縮を図ることができる。

[実施形態３]
以上説明した図１ないし図６の実施形態１および２は過電流保護継電器であるが、図２および図５のブロック図の一部手段を変更することによって不足電流継電器にも適用することができる。

すなわち、図２および図５のリレー判定部１２_-１の判定式を、Ｉ＞ｆ（ｘ）から、Ｉ＜ｆ（ｘ）に置換することによって不足電流継電器に変更することができるので、不足電流継電器に対しても実施形態１および２の考え方を適用することができる。この場合、図３（ａ）および（ｂ）、図６（ａ）および（ｂ）の動作値以下すなわち、関数ｆ_Ａ（ｘ）またはｆ_Ｂ（ｘ）よりも下側が動作域となり、上側は不動作域となる。

[実施形態４]
以下、図７ないし図９を参照して本発明の実施形態４に係る回転電機の保護継電器について説明する。
図７は本実施形態４に係る保護継電器の接続図であり、図８は本実施形態４に係る保護継電器の構成を示すブロック図、図９（ａ）および（ｂ）は図８の動作特性図である。

本実施形態４は、保護対象である図示しない回転電機の主回路から取り込んだ電圧値が一定の動作値（電圧値Ｖ_０）を超過すると動作する形式の電圧保護継電器に対して、前述した補助入力信号ｘを導入して動作特性（動作値）を変化させるようにした電圧保護継電器である。なお、補助入力信号ｘが定格周波数の１０％から定格周波数までを使用する点は前述した実施形態と同様である。

図７において、５は保護対象である図示しない回転電機の主回路１に接続された計器用変圧器であり、回転電機の電圧を変成して得た電圧Ｖを本実施形態の電圧保護継電器３_-３に入力している。この計器用変圧器５および電圧保護継電器３_-３以外の部品は図１に記載の部品と同じなので説明を省略する。

次に、本実施形態の電圧保護継電器３_-３の詳細構成について図８を参照して説明する。
図８において、１１_-２は計器用変圧器５から取り込んだ保護対象である回転電機の端子電圧の大きさ即ち絶対値｜Ｖ｜を演算して求める絶対値演算手段であり、その演算結果は後述するリレー判定手段１２_-２に入力される。計器用変圧器４から取り込まれる電圧は補助入力測定手段１３を経てメモリ回路１４に入力される。このメモリ回路１４は入力された電圧ｘを予め定めた時間（α秒）遅延されて次段の関数発生器１５に出力する。

この関数発生器１５は、当該リレー判定手段１２_-２の動作値を関数ｆ（ｘ）の形式で得て出力するものであり、例えば、図９の動作特性図（ａ）に示す関数ｆ_Ａ（ｘ）のように補助入力信号ｘがゼロのときｖ_０であり、補助入力信号ｘが増加につれてｖ_０から漸増する動作値を出力するとか、（ｂ）に示す関数ｆ_Ｂ（ｘ）のように補助入力信号ｘがゼロからｘ_ｏまで一定値ｖ_０、そしてｘｏを超えると補助入力信号ｘの増加につれてｘ_０から漸増する動作値を出力する。

当該判定手段１２_-２は、保護対象の故障発生前に入力した補助入力信号ｘに応じて得られた動作値（関数ｆ_Ａ（ｘ）またはｆ_Ｂ（ｘ））と、前記絶対値演算手段１１_-２から出力された現時点の電圧の絶対値とを入力し、電圧の絶対値が故障発生前の補助入力信号ｘに応じて得られた前記関数ｆ_Ａ（ｘ）またはｆ_Ｂ（ｘ）の動作値以上の場合（Ｖ＞ｆ（ｘ））に動作出力を生じ、現時点の電圧の絶対値が前記関数ｆ_Ａ（ｘ）またはｆ_Ｂ（ｘ）の動作値未満であれば動作出力を生じない。

このように、本実施形態４の過電圧保護継電器３_-３は、現時点から予め定めた時間α前（保護対象に故障が発生する前）の保護対象の補助入力信号ｘに応じて関数発生器１５で動作特性が変化するように動作値を関数ｆ（ｘ）の形式で得てリレー判定手段１２_-２でこの動作値と入力電気量Ｖとを比較して動作判定を行うようにしたので、従来のように一定の動作値を超過すると動作する形式の過電圧保護継電器では達成できなかった図９（ａ）および（ｂ）に示すような低速域から定格速度域までの広範囲に亘って回転電機の過電流保護を適切に行うことができる。

[実施形態５]
以下、図１０ないし図１２を参照して本発明の実施形態５に係る回転電機の保護継電器について説明する。

図１０は本実施形態５に係る保護継電器の接続図であり、図１１は本実施形態５に係る保護継電器の構成を示すブロック図、図１２（ａ）および（ｂ）は図１０の動作特性図である。

本実施形態５が実施形態４と相違する点は、電圧保護継電器３_-３を保護対象である図示しない回転電機が定格速度に到達した段階で保護を停止する保護停止機能を備えた電圧保護継電器３_-４に置換した点にあり、補助入力信号ｘが定格周波数の１０％から定格周波数までを使用する点は前述した実施形態と同様である。

図１１において、本実施形態５に係る電圧保護継電器３_-４は、図８で示した電圧保護継電器３_-３に対して、メモリ回路１４から出力される補助入力信号ｘが定格速度に対応した大きさを超えると、論理出力値を「０」にする速度域判定手段１６を設けるとともに、この速度域判定手段１６と当該リレー判定手段１２_-２との論理積を求めるアンド回路１７を設けたことを特徴とするものである。

本実施形態５によれば、回転電機の回転速度が定格速度以下のときは、速度域判定手段１６から論理値１なる信号が出力されてアンド回路１７に入力されるので、回転電機が定格速度以下のときは実施形態４の場合と同じ機能を有する。

しかしながら、回転電機が定格速度を超えた速度になると、速度域判定手段１６から出力される論理値は１から０に反転し、リレー判定手段１２_-２の判定結果の如何に拘らず、過電圧保護継電器３_-４としての動作信号はゼロとなる。

これに対して、従来の電圧保護継電器は、定格回転速度域到達で保護機能を停止することができないため、インターロック条件等を外部で構成し、継電器機能をロックしていた。本実施形態５の電圧保護継電器は、定格回転速度域に到達した後は定常運転で用いられる図示しない保護継電器に保護を委ねるようにしたので、従来のようにインターロック条件等を外部で構成する必要がなくなり、そのぶん制御盤内の配配線の簡素化や、配線工期の短縮を図ることができる。

[実施形態６]
以上説明した実施形態４および５は過電圧保護継電器であるが、図８および図１１のブロック図の一部手段を変更することによって不足電圧継電器にも適用することができる。

すなわち、図８および図１１のリレー判定手段１２_-２の判定式を、Ｖ＞ｆ（ｘ）から、Ｖ＜ｆ（ｘ）に置換することによって不足電圧継電器に変更することができるので、不足電圧継電器に対しても実施形態４および５の考え方を適用することができる。この場合、図９（ａ）および（ｂ）、図１２（ａ）および（ｂ）の動作値以下すなわち、関数ｆ_Ａ（ｘ）またはｆ_Ｂ（ｘ）よりも下側が動作域となり、上側は不動作域となる。

[実施形態７]
以下、図１３ないし図１５を参照して本発明の実施形態７に係る回転電機の保護継電器について説明する。

図１３は本実施形態７に係る保護継電器の接続図であり、図１４は本実施形態７に係る保護継電器の構成を示すブロック図、図１５（ａ）および（ｂ）は図１４の動作特性図である。

本実施形態７は、保護対象である回転電機の主回路１から取り込んだ電流値が一定の動作値（電流値Ｉd）を超過すると動作する形式の比率差動保護継電器に周波数を補助入力信号ｘとして用いた最小動作値可変形比率差動保護継電器である。なお、補助入力信号ｘが定格周波数の１０％から定格周波数までを使用する点は前述した実施形態と同様である。

図１３において、６は保護対象としての発電機または電動機等の回転電機であり、例えば、三相各相の固定子巻線の両端子にそれぞれ変流器２_-１、２_-２を設置している。そして、各変流器２_-１、２_-２の二次側で形成された差動回路に最小動作値可変形の比率差動保護継電器３_-５を接続している。本実施形態７の場合も固定子巻線の一端子に計器用変圧器４を接続して補助入力信号ｘを比率差動保護継電器３_-５に入力している。

本実施形態７の最小動作値可変形比率差動保護継電器３_-５の詳細構成は、図１４で示すように構成されている。
図１４において、１１_-３は変流器２_-１、２_-２で変成した電流Ｉ_１およびＩ_２を取り込んで、それぞれの大きさ即ち絶対値｜Ｉ_１｜および｜Ｉ_２｜を演算する絶対値演算手段であり、１８は絶対値｜Ｉ_１｜および｜Ｉ_２｜を入力して差分値ｄ＝｜Ｉ_１｜−｜Ｉ_２｜を求める差動演算手段である。

回転電機６の固定子巻線の一方の端子から計器用変圧器４を介して補助入力信号である電圧ｘを取り込み、この電圧の周波数を補助入力測定手段１３で測定する。この測定結果はメモリ回路１４に入力され、ここで予め定めた時間（α秒）だけ遅延されて次段の関数発生器１５に入力されるようになっている。

この関数発生器１５は、図１５（ｂ）のように最小動作値が補助入力信号ｘに対してほぼ反比例する関係になっているので、補助入力信号ｘ、言い換えれば回転電機６の回転数が低速域にあるとき、図１５（ａ）の最小動作値は大きな値となり、逆に回転電機の回転数が高速域にあるとき最小動作値は小さな値となる。このように、本実施形態７の関数発生器１５は、故障発生前の補助入力信号ｘ（回転電機６の回転数）に応じて比率差動保護継電器３_-５の最小動作値を変更する。

判定手段１２_-３は、関数発生器１５で得られた動作値である関数と、差動演算手段１８で求めた差分値Ｉｄとを入力し、差分値Ｉｄが図１５（ａ）のハッチングで示した動作域にあれば、内部事故と判定し、動作域になければ内部事故と判定しない。

以上述べたように、本実施形態７の比率作動継電器は、故障発生前の補助入力信号ｘを導入することにより、回転電機の回転数が低いときは最小動作値を大きな値とし、回転数が高くなるにつれて最小動作値を小さくするように変化させるので、回転電機の低速度域から定格速度域に亘って機器保護を適切に行うことができる。

これに対して、従来の比率差動保護継電器は、設定した一定の動作値（電流値Ｉｄ）を超過すると動作するもので、一定の動作特性(動作値)しか設定できないため、回転速度に応じた適切な差動保護を行うことができなかった。

[実施形態８]
以下、図１６ないし図１８を参照して本発明の実施形態８に係る回転電機の保護継電器について説明する。

図１６は本実施形態８に係る保護継電器の接続図であり、図１７は本実施形態８に係る保護継電器の構成を示すブロック図、図１８（ａ）および（ｂ）は図１６の動作特性図である。

本実施形態８が実施形態７と相違する点は、最小動作値可変形比率差動保護継電器３_-５を回転電機が定格速度に到達した段階で保護を停止する保護停止機能を備えた最小動作値可変形比率差動保護継電器３_-６に置換した点にあり、補助入力信号ｘが定格周波数の１０％から定格周波数までを使用する点は前述した実施形態と同様である。

図１７において、本実施形態８に係る保護停止機能を備えた最小動作値可変形比率差動保護継電器３_-６は、前述した図１４で示した最小動作値可変形比率差動保護継電器３_-５に対して、メモリ回路１４から出力される補助入力信号ｘが定格速度に対応した大きさを超えると、論理出力値を「０」にする速度域判定手段１６を設けるとともに、この速度域判定手段１６と当該リレー判定手段１２_-３との論理積を求めるアンド回路１７を設けたことを特徴とするものである。

本実施形態８によれば、回転電機６が定格速度以下（補助入力信号≦定格速度域）のときは、速度域判定手段１６から論理値「１」なる信号が出力されてアンド回路１７に入力されるので、回転電機６が定格速度以下のときは実施形態７の場合と同じ保護動作を行う。

しかしながら、回転電機６が定格速度を超えた速度になると、速度域判定手段１６から出力される論理値は「１」から「０」に反転する。このため、リレー判定手段１２_-３の判定結果の如何に拘らず、最小動作値可変形比率差動保護継電器３_-６としての動作信号はゼロとなり、保護動作が停止する。なお、回転電機が定格回転速度域に到達した後は定常運転で用いられる保護継電器（図示せず）に保護を委ねることになる。

本実施形態８の最小動作値可変形比率差動保護継電器３_-６は、回転電機６が定格回転速度域に到達した後は定常運転で用いられる図示しない比率差動保護継電器に保護を委ねる。

これに対して従来の比率差動保護継電器は、速度域判定手段１６を備えられていないので、回転電機６が定格回転速度域に到達しても保護機能を停止することができない。このためインターロック条件等を外部で構成し、継電器機能をロックしていた。

本実施形態の比率差動保護継電器は、定格回転速度域に到達した後は定常運転で用いられる保護継電器に保護を委ねるようにしたので、従来のようにインターロック条件等を外部で構成する必要がなくなり、そのぶん制御盤内の配線の簡素化や、配線工期の短縮を図ることができる。

[実施形態９]
以下、図１９ないし図２１を参照して本発明の実施形態９に係る回転電機の保護継電器について説明する。

図１９は本実施形態９に係る保護継電器の接続図であり、図２０は本実施形態９に係る保護継電器の構成を示すブロック図、図２１（ａ）および（ｂ）は図１９の動作特性図である。

本実施形態９が実施形態７と相違する点は、最小動作値可変形比率差動保護継電器３_-５を補助入力信号ｘに応じ動作時間特性が変化する機能を有する最小動作値可変形比率差動保護継電器３_-７に置換した点にあり、補助入力信号ｘが定格周波数の１０％から定格周波数までを使用する点は前述した実施形態と同様である。

図２０において、本実施形態９に係る保護停止機能を備える最小動作値可変形比率差動保護継電器３_-６は、前述した図１４で示した最小動作値可変形比率差動保護継電器３_-５に対して、メモリ回路１４から出力される補助入力信号ｘおよび絶対値演算手段１１_-３から出力される電流の絶対値を入力し、補助入力信号ｘに応じて動作時間特性が図２１（ｂ）のように変化する機能を有する反限時判定手段１９を新たに設け、この反限時判定手段１９と当該リレー判定手段１２_-３との論理積を求めるアンド回路１７を設けたことを特徴とするものである。

従来の比率差動保護継電器は、一定の動作値（電流値Ｉｄ）を超過すると動作するもので、一定の動作特性(動作値)しか設定できないため、励磁突入電流や発電機外部の事故等による瞬時的な影響で不要動作を起さないために時間特性を用いていたが、本実施形態９の比率差動保護継電器は、補助入力信号ｘに応じ動作時間特性が変化する機能を有する。

[実施形態１０]
以下、図２２を参照して本発明の実施形態１０に係る回転電機の保護継電器について説明する。

本実施形態１０は、前述した実施形態８および９を組み合わせた実施形態であり、具体的には、図２２から明らかなように、図１７の比率差動保護継電器３_-６に図２０の反限時判定手段１９を付加することにより、補助入力信号ｘに電圧を用いて停止機能付き動作時間特性可変形比率差動保護継電器３_-８を得るものである。なお、補助入力信号ｘが定格周波数の１０％から定格周波数までを使用する点は前述した実施形態と同様である。

本実施形態１０によれば、比率差動保護継電器に定格回転速度域到達で、定常運転で用いられる保護継電器に保護を委ねて停止し、補助入力信号ｘに応じ動作時間特性が変化する機能、すなわち停止機能付き動作時間特性可変形比率差動保護継電器３_-８を得ることができる。

以上述べたように、本発明の実施形態１ないし１０によれば、コンバインド機やクロスコンパウンド機の起動時発電機やインバータ等による可変速電源による電動機など回転速度が低速域から定格速度域までの広域で運転される回転電機の保護を適切に行うことができる。
以下、本発明の実施形態の適用例について説明する。

（適用例１）
図２３を参照して回転電機の保護継電器の適用例１について説明する。
本適用例１は、回転電機としてプライマリ発電機Ｇ_-Ｐとセコンダリ発電機Ｇ_-Ｓとを並列運転するクロスコンパウンド発電機６とし、このクロスコンパウンド発電機６の起動時に発生する短絡故障を過電流保護継電器（ＯＣ）３Ｓによって検出することを可能にしたものである。クロスコンパウンド発電機６は主変圧器７、遮断器８を介して図示しない発電所母線に電力を供給するように接続されている。

本適用例１で用いる過電流保護継電器３Ｓは、前述した過電流保護継電器３_-１あるいは過電流保護継電器３_-２と同様に構成されており、プライマリ発電機Ｇ_-Ｐおよびセコンダリ発電機Ｇ_-Ｓの固定子巻線の中性点側の三相各相に設置した変流器２_-Ｐ、２_-Ｓから電流を取り込み、主変圧器７の一次側に設置した計器用変圧器４から補助入力信号ｘを取り込むようになっている。

クロスコンパウンド発電機６の起動時は、２軸すなわちプライマリ発電機Ｇ_-Ｐとセコンダリ発電機Ｇ_-Ｓの回転速度は定励磁で上昇するため、その回転速度の上昇に伴い電圧および周波数も上昇する。従って、故障発生時には過電流もその回転速度（電圧、周波数）に伴い上昇する。本適用例１では過電流保護継電器３Ｓに主変圧器７の一次側から回転速度に対応した補助入力信号ｘを取り入れ、補助入力信号ｘの増加に伴って動作電流値が増加する（動作感度が鈍くなる）ようにしたので、過電流保護継電器３Ｓが不要動作することはない。

これに対して、従来の過電流保護継電器はプライマリ発電機Ｇ_-Ｐとセコンダリ発電機Ｇ_-Ｓの同期の最低回転速度での２相短絡故障を保護できるよう高感度の設定（故障電流がミニマムとなる状態も確実に保護できる設定）としていた。この従来例の場合、回転速度の上昇、電圧の上昇に伴い主変圧器励磁電流も増加することにより、定格速度到達域での定常電流が保護継電器動作値に近接することとなり、過電流保護継電器が不要動作する可能性があった。

（適用例２）
図２４を参照して回転電機の保護継電器の適用例２について説明する。
本適用例２は、プライマリ発電機Ｇ_-Ｐとセコンダリ発電機Ｇ_-Ｓとを並列運転するクロスコンパウンド発電機６の起動時に発生する地絡故障を地絡過電流保護継電器（ＯＣＧ）３Ｇ_１によって検出することを可能にしたものである。９は固定子巻線の中性点に設けた中性点接地抵抗器である。

本適用例２で用いる地絡過電流保護継電器３Ｇ_１は、前述した過電流保護継電器３_-１あるいは過電流保護継電器３_-２と同様に構成され、プライマリ発電機Ｇ_-Ｐの固定子巻線の中性点に設置した変流器２_-Ｇから零相電流を取り込むことによって地絡故障を検出し、しかも、主変圧器７の一次側に設置した計器用変圧器４から補助入力信号ｘを取り込むことによって、補助入力信号ｘの増加に伴って動作電流値が増加する（動作感度が鈍くなる）ので、地絡過電流保護継電器３Ｇ_１が不要動作することはない。

（適用例３）
図２５を参照して回転電機の保護継電器の適用例３について説明する。
本適用例３は回転電機としての誘導電動機６を可変周波数電源であるインバータ１０によって可変速制御する場合、低速域から定格速度域に亘る広範囲において誘導電動機６を過電流保護継電器３Ｉによって保護するようにしたものである。

本適用例３で用いる過電流保護継電器３Ｉは、前述した過電流保護継電器３_-１あるいは過電流保護継電器３_-２と同様に構成されるものである。
可変周波数電源であるインバータ１０によって駆動される誘導電動機６も電圧や周波数の変化によって回転速度を低速域から定格速度域で用いるため、広域周波数に対応する保護継電器が必要とされる。しかし、従来の保護継電器は、設定した一定の動作値（電流値Ｉ）を超過すると動作するもので、一定の動作特性(動作値)しか設定できなかった。

本適用例３は、保護継電器３Ｉに前述した過電流保護継電器３_-１あるいは過電流保護継電器３_-２を使用することで、故障発生前の補助入力信号ｘに応じ動作特性(動作値)が変化するため、回転速度変化に応じた低速域から定格速度域での誘導電動機６の異常を早期に抽出し、保護を行うことが可能となる。

（適用例４）
図２６を用いて回転電機の保護継電器の適用例について説明する。
本適用例４は、プライマリ発電機Ｇ_-Ｐとセコンダリ発電機Ｇ_-Ｓとを並列運転するクロスコンパウンド発電機６の起動時に発生した地絡故障を地絡過電圧保護継電器（ＯＶＧ）３Ｇ_２によって検出することを可能にしたものである。１１は中性点接地変圧器であり、その二次側に中性点接地抵抗器９および地絡過電圧保護継電器３Ｇ_２が接続されている。そしてこの地絡過電圧保護継電器３Ｇ_２にも主変圧器７の二次側から検出した電圧を補助入力信号ｘとして取り込んでいる。

発電機起動時は、発電機回転速度は定励磁で上昇するため、その回転速度の上昇に伴い電圧、周波数も上昇する。このため、内部故障時の差動電流も回転速度に伴い変化す
従来は、事故時に発電機中性点接地の二次側に発生する電圧を検出できるように、２軸同期の最低回転速度での電圧時の故障を考えた最少動作電流値を設定していた。この場合、クロスコンパウンド発電機６の回転速度の上昇、電圧の上昇に伴い、必要以上の高感度動作となり、不要動作の可能性があった。

しかも、従来の電圧保護継電器は、発電機定格回転速度域到達で保護機能を停止することができないため、インターロック条件等を外部で構成し、継電器機能をロックしていた。しかしながら、本適用例によれば、地絡過電圧保護継電器（ＯＶＧ）３Ｇ_２に回転速度に比例して増加する補助入力信号ｘを導入したので、地絡過電圧保護継電器（ＯＶＧ）３Ｇ_２が不要動作する可能性は少ない。また、インターロック条件等を外部で構成る必要がなくなり簡素にできる。

（適用例５）
図２７を用いて回転電機の保護継電器の適用例５について説明する。
本適用例５は、プライマリ発電機Ｇ_-Ｐとセコンダリ発電機Ｇ_-Ｓとを並列運転するクロスコンパウンド発電機６の起動時に発生した内部事故を比率差動保護継電器３Ｄによって検出することを可能にしたものである。

本適用例５で用いる比率差動保護継電器３Ｄは、前述した図１４の比率差動保護継電器３_-５、図１７の比率差動保護継電器３_-６あるいは図２０の比率差動保護継電器３_-７等が使用されるものである。

図２７は、クロスコンパウンド発電機６の起動時に発電機中性点側の変流器２_-２Ｐおよび２_-２Ｓと主変圧器７の二次側の変流器２_-１の比率値（差電流）より検出する比率差動保護継電器の構成図の例である。

クロスコンパウンド発電機６の起動時は、発電機回転速度は定励磁で上昇するため、その回転速度に上昇に伴い電圧、周波数も上昇する。従って、内部故障時の差動電流もその回転速度に伴い変化する。従来は２軸同期の最低回転速度での電圧時の故障を考えた最少動作電流値を設定していた。この場合、定格回転速度域近くでは、定常時の変流器誤差、不整合等により差動電流が増加傾向となり、比率値（差電流）が継電器動作値に近接することとなり、保護継電器が不要動作する可能性がある。しかも、従来の比率差動保護継電器は、発電機定格回転速度域到達で保護機能を停止することができないため、インターロック条件等を外部で構成し、継電器機能をロックしていた。

しかしながら、本適用例によれば、補助入力信号ｘによって最小動作電流値が変化する比率差動保護継電器を採用しているので、保護継電器が不要動作する可能性は少ない。また、インターロック条件等を外部で構成る必要がなくなり簡素にできる。

（適用例６）
図２８を用いて回転電機の保護継電器の適用例６について説明する。
本適用例６は、可変周波数電源であるインバータ１０によって駆動される誘導電動機６に発生した内部事故を比率差動保護継電器３Ｄによって検出することを可能にしたものである。

本適用例６で用いる比率差動保護継電器３Ｄは、前述した図１４の比率差動保護継電器３_-５、図１７の比率差動保護継電器３_-６あるいは図２０の比率差動保護継電器３_-７等が使用されるものである。

インバータ１０によって駆動される電動機６も電圧や周波数の変化によって回転速度を低速域〜定格速度域で用いられるため、広域周波数に対応する保護継電器が必要とされる。しかし、従来の保護継電器は、設定した一定の動作値（電流値Ｉｄ）を超過すると動作するもので、一定の動作特性(動作値)しか設定できないため、補助入力信号ｘに応じた適切な保護を行うことができなかった。本適用例は、上述した比率差動保護継電器３_-５、３_-６あるいは３_-７等で誘導電動機６を保護するようにしたので、故障発生前の補助入力信号ｘに応じ動作特性(動作値)が変化するため、回転速度変化に応じた低速域〜定格速度域での機器の異常を早期に抽出し、保護を行うことが可能となる。

なお、以上述べた実施形態および適用例では、コンバインドサイクル発電プラントに用いられるガスタービン発電機や蒸気タービン発電機の保護について説明しなかったが、勿論ガスタービン発電機や蒸気タービン発電機の保護にも適用できるものである。

また、以上述べた実施形態および適用例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…主回路、２、２_-１，２_-２，２_-２Ｐ，２_-２Ｓ，２_-Ｇ…計器用変流器、３，３_-１，３_-２，３_-３，３_-４，３_-５，３_-６，３_-７，３_-８，３Ｓ，３Ｇ_１，３Ｇ_２，３Ｄ，３Ｉ…保護継電器、４，５…計器用変圧器、６…回転電機（発電機または電動機）、７…主変圧器、８…遮断器、９…中性点接地抵抗器、１０…可変周波数電源（インバータ）、１１…中性点接地変圧器、ｘ…補助入力信号。

Claims (9)

1. 回転電機の主回路から取り込んだ電気量の大きさとリレー判定手段の動作値とを比較して前記回転電機に故障が発生したか否かを判定するように構成された回転電機の保護継電器において、
   前記回転電機の主回路から電気量を入力し、その大きさを演算して求める絶対値演算手段と、
   前記回転電機の回転数に対応する信号を補助入力信号として入力し、これを所定時間遅延したのち出力するメモリ手段と、
   前記メモリ手段から出力された補助入力信号に応じて前記リレー判定手段の動作値を得る関数発生器と、を備え、
   前記リレー判定手段は、前記絶対値演算回路から出力された現時点の電気量の絶対値と、現時点よりも所定時間前の補助入力信号に応じて得られた前記動作値とを比較して前記回転電機に故障が発生したか否かを判定し、故障発生と判定したとき動作出力を生じるようにしたことを特徴とする回転電機の保護継電器。
2. 前記リレー判定手段で動作値と比較される電気量は、電流または電圧であることを特徴とする請求項１記載の回転電機の保護継電器。
3. 回転電機の両端子から取り込んだ電流の差動電流値とリレー判定手段の動作値とを比較して前記回転電機に故障が発生したか否かを判定するように構成された回転電機の保護継電器において、
   前記回転電機の両端子から電流を取り込み、その取り込んだ電流から差動電流値を演算して求める差動演算手段と、
   前記回転電機の回転数に対応する信号を補助入力信号として入力し、これを所定時間遅延したのち出力するメモリ手段と、
   前記メモリ手段から出力される補助入力信号に応じて前記リレー判定手段の最小動作値を得る関数発生器と、を備え、
   前記リレー判定手段は、前記差動演算手段から出力された現時点の差動電流値と、現時点よりも所定時間前の補助入力信号に応じて得られた前記動作値とを比較して前記回転電機に故障が発生したか否かを判定し、故障発生と判定したとき動作出力を生じるようにしたことを特徴とする回転電機の保護継電器。
4. 前記補助入力信号は前記回転電機の前記回転速度に対応する電圧の大きさまたは周波数であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転電機の保護継電器。
5. 前記メモリ手段から出力された補助入力信号が定格速度に対応した大きさを超えたか否かを判定する速度域判定手段を備え、当該速度域判定手段が定格速度域の値を超えたものと判断した場合、前記リレー判定手段の判定結果を無効または判定を停止することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転電機の保護継電器。
6. 前記メモリ手段から出力された補助入力信号に応じて動作時間特性が変化する機能を有する反限時判定手段を備え、当該反限時判定手段と前記リレー判定手段との論理積が成立するとき、動作出力を生じるようにしたことを特徴とする請求項３記載の回転電機の保護継電器。
7. 前記回転電機は、プライマリ発電機とセコンダリ発電機とを並列運転するクロスコンバインド発電機であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の回転電機の保護継電器。
8. 前記回転電機は、コンバインドサイクル発電プラントで運転されるガスタービン発電機と蒸気タービン発電機あるいは蒸気タービン発電機同士であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の回転電機の保護継電器。
9. 前記回転電機は可変周波数電源に接続される誘導電動機であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の回転電機の保護継電器。

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